钢筋锈蚀再生混凝土梁刚度退化规律及计算方法研究

第51卷第4期2021年2月下
建筑结构Building Structure
Vol．51No．4Feb．2021
DOI ：10.19701/j．jzjg．2021.04.013
*江苏省研究生科研创新计划项目（KYCX17_0272）。

作者简介：邹正浩，博士，讲师，
Email ：zouzhenghao @nuaa．edu．cn ；通信作者：吴瑾，博士，教授，Email ：wujin @nuaa．edu．cn 。

钢筋锈蚀再生混凝土梁刚度退化规律及
计算方法研究
*
邹正浩1，2，杨国姣1，吴瑾2，苏天
2
（1宜春学院土木工程系，宜春336000；2南京航空航天大学土木与机场工程系，南京210016）
［摘要］采用电化学方法对纵筋进行锈蚀，通过加载试验研究了再生混凝土梁在不同纵筋锈蚀率下刚度退化规律。

结果表明：再生混凝土梁破坏时的极限承载力随锈蚀率的增加而减小，当锈蚀率较小时，大约在5%极限承载力的荷载时梁在纯弯段内开始出现裂缝，
破坏形态为适筋梁弯曲破坏；当锈蚀率较大时，破坏时裂缝分布有向跨中靠拢的趋势。

当荷载较小时，随着纵筋锈蚀率的增加再生混凝土梁跨中挠度变化不大；当荷载较大时，跨中挠度随纵筋锈蚀率增大而增大变得比较明显。

再生混凝土梁的刚度因纵筋锈蚀发生了一定的退化，
导致刚度退化的主要原因是再生混凝土梁截面和纵筋横截面面积减小以及二者之间粘结性能的退化，并基于钢筋截面面积减小这一因素推导了再生混凝土梁弯曲刚度退化计算方法。

［关键词］再生混凝土；钢筋锈蚀；锈蚀率；刚度退化；弯曲刚度中图分类号：TU375．1文献标识码：A
文章编号：1002-848X （2021）04-0086-05［引用本文］
邹正浩，杨国姣，吴瑾，等．钢筋锈蚀再生混凝土梁刚度退化规律及计算方法研究［J ］
．建筑结构，2021，51（4）：86-90，64．ZOU Zhenghao ，YANG Guojiao ，WU Jin ，et al．Degradation law and calculation method of stiffness of recycled concrete beams with corroded rebars ［J ］．Building Structure ，2021，51（4）：86-90，64．
Degradation law and calculation method of stiffness of recycled concrete beams with corroded rebars
ZOU Zhenghao 1，2
，YANG Guojiao 1，WU Jin 2，SU Tian 2
（1Department of Civil Engineering ，Yichun University ，Yichun 336000，China ；
2Department of Civil and Airport Engineering ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，Nanjing 210016，China ）Abstract ：The electrochemical method was used to corrode the longitudinal rebars ，and the stiffness degradation law of recycled concrete beams under different corrosion rate of longitudinal rebars was studied by loading tests．The results show that the ultimate bearing capacity of recycled concrete beams decreases with the increase of corrosion rate．When the corrosion rate is small ，cracks begin to appear in the pure bending section at the load about 5%of the ultimate bearing capacity ，and the failure mode is flexural failure of balanced-reinforced beam．When the corrosion rate is large ，the distribution of cracks tends to be closer to the mid-span．When the load is small ，with the increase of the corrosion rate of longitudinal rebars ，the mid-span deflection of the recycled concrete beam does not change much ，when the load is large ，the mid-span deflection increases obviously with the increase of the corrosion rate of longitudinal rebars ，and the stiffness of the recycled concrete beam is degenerated due to the corrosion of longitudinal rebars ，the main reasons for the stiffness degradation are the reduction of the cross-sectional area of recycled concrete beams and longitudinal bars ，and the degradation of the bond performance between them ，thus the calculation method of the degradation of the flexural stiffness of the recycled concrete beam was derived based on the reduction of the cross-sectional area of the rebars．Keywords ：recycled concrete ；rebar corrosion ；corrosion level ；stiffness degradation ；flexural stiffness
0引言
混凝土中的钢筋锈蚀研究是分析现有结构性能退化的关键工作之一［1］。

混凝土结构中钢筋锈
蚀的危害主要有以下三个方面
［2-4］
：1）降低了结构的承载力；2）降低了结构的刚度；3）降低了结构的
延性。

从近些年已取得的研究成果来看，混凝土中钢筋锈蚀的研究主要集中在钢筋锈蚀的机理、钢筋锈蚀的速度、钢筋锈蚀的程度以及钢筋锈蚀后的防
护和力学性能等
［5-6］。

再生混凝土结构是再生混凝土应用的一个重要方面，近年来国内外关于再生混凝土结构性能研究已取得了一定的成果，但是，关于这方面基础理
论还有待进一步的研究［7］
，再生混凝土结构性能退化问题特别是钢筋锈蚀后再生混凝土结构的力学
第51卷第4期邹正浩，等．钢筋锈蚀再生混凝土梁刚度退化规律及计算方法研究
性能研究还比较少，现有文献，如雷斌［8］
、曹芙
波
［9-10］
、宋永吉［11］、YE TAOPING ［12］、王晨霞［13］
有过
相关报道。

但这些文献中仅有雷斌［8］
和王晨霞
［13］
通过粘结滑移理论提出了正截面抗弯承载力计算
公式和弯曲刚度计算公式，
试验研究也并不够系统，试件数量相对较少，有待更深入的研究。

本文通过试验对钢筋锈蚀再生混凝土梁抗弯
性能进行了研究，
并基于纵筋截面面积减小的几何条件，
推导了钢筋锈蚀再生混凝土梁弯曲刚度退化计算方法。

1
试验方案1.1试验材料
试验中浇筑再生混凝土使用的原材料均相同。

水泥为P．Ⅱ42.5R 硅酸盐水泥，水为自来水，细骨料为天然河砂，再生粗骨料来自南京市某建筑垃圾处理厂，骨料性能和压碎指标见表1。

再生粗骨料的性能及压碎指标
表1
表观密度/（kg /m 3
）
堆积密度/（kg /m 3
）
吸水率/%压碎指标/%2580
1300
5.317.5
1.2配合比
试验设计再生混凝土强度等级为C30，为达到
预定强度，选择了4组再生混凝土的配合比进行试配，每组3个试块，见表2。

试配后将试块标准养护28d ，最后决定采用水灰比为0.4进行试验。

试配配合比和28d 抗压强度
表2
组号水灰比/（kg /m 3）水泥/（kg /m 3）水/（kg /m 3）再生骨料/（kg /m 3
）砂
/（kg /m 3）抗压强度/MPa 10.40437.34230.791109.70653.5331.9820.45389.46230.791097.86646.5626.9330.50346.73230.791167.76687.7324.
804
0.55
316.36
230.79
1144.33
673.88
19.47
图1
试件尺寸和配筋
1.3试件尺寸
试验梁截面尺寸设计均为120mm ˑ200mm ，长
度均为1500mm 。

抗弯梁底部配置2根直径10mm 的HRB400级热轧螺纹钢筋，在梁端部弯折并预留体外段，
用于梁的锈蚀通电。

架立筋采用2根直径6mm 的HPB300级钢筋，箍筋采用直径6mm 的HPB300级钢筋，间距60mm ，跨中段不配置箍筋。

试件尺寸和配筋如图1所示。

1.4通电加速锈蚀
为了使纵筋在较短时间内达到理想的锈蚀率，
试验采用电化学方法对纵筋加速锈蚀。

具体方法如下：将梁养护28d 后，浸入5%NaCl 溶液中，待充分润湿，将连接纵筋的导线与恒压恒流源的阳极相接，阴极与没入溶液的不锈钢条连接，通过NaCl 溶液形成回路，使阳极的纵筋锈蚀，如图2所示。

为保证通电过程中只锈蚀纵筋，在纵筋和箍筋搭接处、箍筋与架立筋搭接处须采取绝缘措施，如图3所示。

图2钢筋加速锈蚀
图3纵筋与箍筋搭接部分绝缘
由法拉第电磁定律可知，钢筋的锈蚀程度与通电时间和电流大小有关，为使加速锈蚀的结果与实
际比较接近，试验选取电流为1mA /cm 2。

本试验预
计得到8个不同的纵筋锈蚀率，分别为0%，
1%，3%，5%，7%，9%，11%，13%。

不同锈蚀率下梁的通电时间和最后实际测得的锈蚀率见表3。

钢筋锈蚀时间和实测锈蚀率
表3
试件编号
通电时间/h
锈蚀率设计值/%
锈蚀率实测值/%
RC-F0000.68RC-F110.611 1.19RC-F331.833 2.51RC-F553.055 5.84RC-F774.277 5.04RC-F995.5098.68RC-F11116.721111.90RC-F13
137.94
13
9.56
1.5加载
本试验为简支梁静载试验，采用千斤顶手动加载，荷载大小由压力传感器控制，通过一个分配梁
将荷载对称地施加到混凝土梁上。

在梁跨中、加载
7
8
建筑结构2021年
点分别布置位移计，测定构件的挠度和整体变形。

在梁跨中截面处平均粘贴5个应变片，以测量混凝土应变，钢筋应变由电阻应变片测量。

由于本文采用通电法对纵筋进行加速锈蚀，不可避免会破坏内贴的纵筋应变片。

因此，本试验采用后贴法粘贴纵筋应变片。

具体步骤为，在绑扎钢筋笼的时候，在纵筋正中的位置预先绑扎一小块硬泡沫塑料。

当加速锈蚀试验结束后，首先凿除一小孔混凝土找出跨中预留泡沫的位置。

随后，用微型打磨机将纵筋打磨光滑，用无水酒精清洗钢筋表面。

用胶将连着引线的应变片与纵筋粘贴，用保鲜膜覆盖，将多余的胶水挤出。

待胶干后，用环氧树脂将空洞密封，以保护应变片和补强开孔处截面刚度。

2试验结果与分析
2.1破坏模式
加载过程中梁的破坏特征见表4。

由表可知，加载过程中，再生混凝土梁破坏时的极限承载力随锈蚀率的增加而减小，当钢筋屈服后，梁的挠度迅速增加，裂缝持续开展，当裂缝宽度达到1.5mm时，即判定梁弯曲破坏，破坏时裂缝分布见图4。

梁的破坏特征表4试件编号跨中截面最大挠度f max/mm极限承载力P max/kN RC-F014.89103.3
RC-F119.86105.7
RC-F315.3195.3
RC-F712.1896.0
RC-F512.3593.1
RC-F912.0090.7
RC-F138.7283.8
RC-F11 5.6775.8
当锈蚀率较小时，如再生混凝土梁RC-F0和RC-F1，大约在5%
极限承载力时，再生混凝土梁在纯弯段内开始出现裂缝；当外荷载增加到极限承载力的50%左右时，数条裂缝已延伸至形心轴的位置；当外荷载增加至极限承载力的55% 70%时，此时纯弯段裂缝宽度约0.1mm左右；外荷载进一步增加到约80%极限承载力时，纯弯段内的裂缝均逐渐变宽，宽度约0.2 0.3mm左右；当外荷载达到极限承载力时，纯弯段裂缝宽度达到1.5mm以上，梁宣告破坏，破坏形态为适筋梁弯曲破坏。

当锈蚀率进一步增大，如再生混凝土梁RC-F3，RC-F7，RC-F5和RC-F9，由于锈蚀导致的钢筋和混凝上之间的粘结性能退化，减弱了钢筋与混凝土的应力传递，梁在加载过程中竖向裂缝变得稀少，间距增大，靠近支座处的斜裂缝逐渐与沿受拉主筋方
图4极限破坏时裂缝形态分布
向的纵向裂缝连接。

当荷载达到极限承载力的80%时，纯弯段内某一条裂缝宽度急剧发展，其他裂缝发展缓慢。

当荷载达到极限承载力时，纯弯段内最大裂缝宽度达到1.5mm，梁宣告破坏。

当锈蚀率较大时，如再生混凝土梁RC-F13和RC-F11，破坏时较宽的竖向裂缝更为稀少。

梁底裂缝往往仅某一处发展，梁破坏时仅此处的裂缝很明显，钢筋不能充分发挥其塑性性能，延性降低。

斜裂缝数量较少，但宽度较大。

裂缝分布有向跨中靠拢的趋势。

2.2荷载-跨中挠度
不同锈蚀率下，梁荷载-跨中挠度关系曲线如图5所示。

从图中可以看出：荷载-跨中挠度曲线可分为两个阶段：1）梁正截面开裂前至纵筋屈服，此阶段跨中挠度随荷载增加而增加，成线性关系；2）纵筋屈服后至试件破坏，此阶段荷载基本不变，挠度线性增加。

不同荷载下，梁跨中挠度与纵筋锈蚀率关系曲线如图6所示。

可以看出，当荷载较小时，随着纵筋锈蚀率的变化，再生混凝土梁跨中挠度变化不大。

荷载继续增大，接近极限承载力（75kN）时，跨中挠度随纵筋锈蚀率的增大而增大的趋势已变得比较明显。

由此可知，再生混凝土梁的刚度因纵筋锈蚀发生了一定的退化。

导致刚度退化的主要原因是再生混凝土梁截面和纵筋横截面积减小以及二者
88
第51卷第4期邹正浩，等．
钢筋锈蚀再生混凝土梁刚度退化规律及计算方法研究
图5荷载-
跨中挠度曲线
图6跨中挠度与纵筋锈蚀率关系
之间粘结性能的退化。

由于粘结作用降低，受拉钢筋的应变趋于均匀，使裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数增大，跨中挠度随之增大。

3钢筋锈蚀再生混凝土梁刚度B s 的计算方法3.1未锈蚀时再生混凝土梁刚度B s 的计算方法
肖建庄
［14］
、雷斌［15］和叶强［16］
等对未锈蚀的再
生混凝土梁刚度进行了具体研究，结论是《混凝土
结构设计规范》
（GB 50010—2010）中的短期刚度计算公式对再生混凝土不再适用，并给出了建议公式，分别拟合了公式中相关参数的值，见表5。

再生混凝土梁刚度计算模型
表5文献
表达式
相关参数
叶强［16］
肖建庄［14］
雷斌［15］
B s =E s A s h 20ψη+αE ζ
·A s bh 0ψ为未锈蚀的钢筋应变不均匀系数；η为未锈蚀的梁截面内力臂系数；ζ为受压区平均应变综合系数
3.2基于文献［16］的刚度修正计算方法
根据材料力学，在本试验中，按叠加原理可以计算千斤顶荷载为P 时弯曲刚度B s 实测值B s 实与跨中挠度f 的关系为：
B s 实=
22Pl 3
1536f
（1）
式中l 为支座间距。

根据表5拟合的未锈蚀再生混凝土梁刚度公式，将未锈蚀的钢筋截面面积A s 替换为锈蚀后的钢
筋截面面积A s '，未锈蚀的钢筋应变不均匀系数ψ
替换为锈蚀后的钢筋应变不均匀系数ψ'；未锈蚀的梁截面内力臂系数η替换为锈蚀后的梁截面内力
臂系数η'，
可推导得到纵筋锈蚀后再生混凝土梁弯曲刚度的理论计算公式为：
B s '=
E s A s 'h 20
ψ'η'+αE ζ·A s 'bh 0
（2）
式中：E s 为钢筋弹性模量；A s '为钢筋锈蚀后截面面
积；h 0为梁截面有效高度；αE 为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量比值；b 为梁宽度；ψ'为钢筋锈蚀后的应变不均匀系数；η'为钢筋锈蚀后梁截面的内力臂系数；ζ为受压区平均应变综合系数。

假设纵筋均匀锈蚀，采用平均锈蚀率，则纵筋锈蚀后的几何关系为：
A s 'ωL A s ωL =m L （1－ρ）
m L （3）式中：ω为铁密度；L 为纵筋长度；m L 为钢筋锈蚀前
重量；ρ为钢筋锈蚀率。

根据式（3）可得钢筋在均匀锈蚀理想状态下有：
A s '=A s （1－ρ）（4）根据《混凝土结构设计规范》
（GB 50010—2010）和文献［16］拟合的各参数计算方法，可得：
αE ζ·A s 'bh 0
=0.26+6.45
αE A s 'bh 0
ψ'=0.99－0.31
f t ρte σs
=0.99－0.31·
0.24f 0.58
cu
A s '0.5bh
·
M
η'h 0A s '=0.99－
0.0372bh f 0.58
cu h 0
M
η'
（5）
式中M 为千斤顶荷载为P 时跨中截面弯矩。

根据文献［16］拟合的计算方法，在本试验中，纵筋锈蚀后再生混凝土梁截面内力臂系数η'取计
算平均值0.93。

因此，将式（4），
（5）代入式（2）解得纵筋锈蚀后再生混凝土梁弯曲刚度理论计算式为：
B's =
E s A s h 20
1.331－ρ
－0.04bhh 0f 0.58
cu M （1－ρ）+6.45αE A s bh 0（6）式中：h 为梁实际高度；f cu 为再生混凝土抗压强度。

表6给出了不同荷载下刚度实测值与用式（6）计算的刚度结果的比值B s 实/B s '，由表6可知，两者
9
8
有差异但差异不大，存在差异的原因是式（4）的锈
蚀钢筋几何关系是均匀锈蚀理想状态下得到的，实际中钢筋锈蚀并非均匀，存在点蚀或未锈段。

因此，引入弯曲刚度纵筋锈蚀影响系数γB ，使实测值B s 实与式（6）理论计算值B s '满足式（7）的关系，计算得到γB 与纵筋锈蚀率ρ拟合关系如图7所示。

B s 实=γB B s '（7）
刚度实测值与计算值的比值
B s 实/B s '
表6
试件编号荷载P /kN
30506075RC-F00.850.910.860.81RC-F10.880.960.880.84RC-F30.86 1.010.840.81RC-F70.99 1.040.940.91RC-F5 1.23 1.13 1.000.93RC-F9 1.000.96 1.000.80RC-F130.900.920.900.81RC-F11
0.83
0.88
0.79
0.64
图7弯曲刚度纵筋锈蚀影响系数γB 与纵筋锈蚀率ρ关系
由图7拟合曲线可知，再生混凝土梁弯曲刚度
纵筋锈蚀影响系数γB 表达式为：
γB =
3.62ρ+0.82（0＜ρ＜6%）
－4.38ρ+1.36（ρ≥6%）
{
（8）因此，将式（6），
（8）代入式（7）得到纵筋锈蚀再生混凝土梁实际弯曲刚度可按下式计算：
B s =（3.62ρ+0.82）E s A s h 201.331－ρ
－0.04bhh 0f 0.58cu M （1－ρ）+
6.45αE A s
bh 0（0≤ρ＜6%）（－4.38ρ+1.36）E s A s h 2
1.331－ρ－0.04bhh 0f 0.58cu M （1－ρ）+6.45αE A
s
bh 0
（ρ≥6%）
（9）
3.3刚度修正计算方法的验证
为了验证所得计算公式适用性，整理了王晨霞［13］
的锈蚀再生混凝土梁试验的部分数据，结果对比如表7所示。

从表中可知，刚度计算值与试验值
弯曲刚度修正计算式验证
表7
试件编号试验值/（ˑ1011N ·mm 2）
计算值
/（ˑ1011N ·mm 2）
比值RCBD12（1） 6.158 6.4350.96RCBD12（2） 5.648 5.301 1.07RCBD12（3） 5.186 4.712 1.10RCBD12（4） 5.01 4.31 1.16RCBD12（5） 4.712 3.797 1.24RCBD14（1）7.1267.4290.96RCBD14（2） 6.856 6.103 1.12RCBD14（3） 6.282 5.719 1.10RCBD14（4） 6.352 5.238 1.21RCBD14（5）
5.457
4.445
1.23
接近，说明修正计算方法适用性良好。

4结论
本文进行了钢筋锈蚀再生混凝土梁的静载试验，并探讨了不同锈蚀程度的试验梁的破坏过程和破坏模式、裂缝分布规律、荷载-跨中挠度曲线以及再生混凝土梁弯曲刚度退化规律。

基于钢筋锈蚀后截面面积减小的几何条件进行推导，引入弯曲刚度纵筋锈蚀影响系数，推导了钢筋锈蚀再生混凝土梁弯曲刚度退化计算方法。

通过试验和分析得到如下结论：
（1）再生混凝土梁破坏时的极限承载力随锈蚀率的增加而减小。

（2）当锈蚀率较小时，再生混凝土梁破坏形态为适筋梁弯曲破坏；当锈蚀率进一步增大，由于锈蚀导致的钢筋和混凝上之间的粘结性能退化，减弱
了钢筋与混凝上的应力传递，
梁在加载过程中竖向裂缝变得稀少，间距增大，靠近支座处的斜裂缝逐渐与沿受拉主筋方向的纵向裂缝连接；当锈蚀率较大时，再生混凝土梁破坏时较宽的竖向裂缝更为稀少，钢筋不能充分发挥其塑性性能，延性降低，裂缝分布有向跨中靠拢的趋势。

（3）当荷载较小时，随着纵筋锈蚀率的变化，再生混凝土梁跨中挠度变化不大，荷载继续增大，接近极限承载力时，跨中挠度随纵筋锈蚀率的增大而增大的趋势已比较明显。

由此可知，再生混凝土梁的刚度因纵筋锈蚀发生了一定的退化。

（4）基于纵筋锈蚀后截面面积减小的几何条件，推导了钢筋锈蚀再生混凝土梁弯曲刚度退化计算方法。

参
考
文
献
［1］邓拓．钢筋锈蚀对混凝土结构耐久性的影响及其评估
［D ］．长沙：长沙理工大学，2012．
（下转第64页）
上述弹塑性时程分析，由于缺少地下结构补偿收缩混凝土的实测终极收缩值，无法判定“补偿收缩”抗裂措施的预期效果，为此考虑现场结构实际裂损情况后，未再组合该措施可能存在的有利效应。

该项目地下结构施工阶段为赶工期，各层墙体的温度后浇带与后浇筑膨胀加强带曾经提前封堵。

鉴于这些部位横穿配筋已经使这些主要抗裂措施基本失效，计算分析未再考虑此情况对结构抗裂性能的不利影响。

文中所示地下结构各部位的主拉应力σc，max，弹塑性时程分析时统一根据von Mises屈服准则计算确定。

6结论
（1）邯郸环球中心项目地下超长结构成型收缩拉应力弹塑性时程分析结果表明，根据混凝土拉应力、名义拉应力与裂缝宽度对应关系确定的计算裂损情况与现场相应检测结果基本相符。

（2）该项目所有温度后浇带和后浇筑膨胀加强带部位的横穿配筋未临时截断，是导致超长混凝土地下结构施工期间出现严重裂损的主要原因。

（3）弹塑性时程分析表明，筏板与地下各层结构分别相继成型时长为20 50d时，结构施工进度对混凝土成型收缩拉应力或名义拉应力的影响不明显。

（4）筏板与地下三层外墙局部渗漏水相对较严重，除与这些部位贯通裂缝的宽度较大有关外，还与这些部位的地下水渗透压相对较高有关。

（5）该工程地下超长混凝土结构裂损目前虽已基本稳定，但部分裂缝宽度随后期温/湿度和重力荷载等因素变化存在不确定变幅，封堵处理宜充分考虑这些不利因素。

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（上接第90页）
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